基于INVENTOR的液壓關斷門的設計與仿真

2016-11-29 12:03:22陳志軍

中國設備工程 2016年5期

陳志軍吉潔

（中國航天萬源國際（集團）有限公司，北京 100176）

·改造與更新·

基于INVENTOR的液壓關斷門的設計與仿真

陳志軍吉潔

（中國航天萬源國際（集團）有限公司，北京 100176）

運用IN VEN TO R三維建模、剛強度分析和仿真軟件，在某廠爐底排渣裝置中成功研制了帶有風帽的液壓關斷門，同時運用IN VEN TO R軟件插件Autodesk N astran In-CAD以及運動仿真模塊對液壓關斷門的曲柄搖桿機構進行有限元線性靜力分析和運動仿真分析。分析結果對縮短產品的開發周期，提高設計質量，物理樣機研制成功具有指導意義，所使用的仿真方法對液壓關斷門曲柄搖桿機構設計具有重要的參考價值。關斷門安裝使用10余年運行穩定。

液壓關斷門；風帽；曲柄搖桿機構

某廠鍋爐改造前的除渣系統為水力除渣，費水費電，污染環境，故2004年確定改造為以鋼帶式輸渣機為主的干式除渣系統。干除渣技術具有占地面積小、維修方便、能夠提高鍋爐效率、節能降耗、節約大量的水資源和提高干渣的綜合利用價值等優點，并能提高鍋爐效率。

液壓關斷門是電站鍋爐干式除渣系統重要的控制裝置。在爐底排渣裝置中成功研制了帶有風帽的液壓關斷門，在規定時間內依次開啟，并且在關斷門下部引入350℃的三次風，從液壓關斷門的風帽內吹出熱風使爐渣二次燃燒，同時在鋼帶機頭部及本體引入的冷風再次吸收關斷門落下的爐渣熱量，使自身溫度升高后進入爐膛，最終由爐底進入爐內的混合風溫將遠遠超過220℃。關斷門研制成功后，提高了鍋爐的燃燒效率，既能保證鍋爐的安全穩定運行，又能起到減少爐底漏風、控制熱源損失的節能作用。

一、運用Inventor對液壓關斷門進行建模與仿真

1.設計輸入及三維建模

客戶對關斷門的技術要求。與現有的4個渣斗連接，每個渣斗容積7m3；干渣堆積密度約0.9t/m3；爐渣溫度850℃；關斷門采用同一材質鑄造，變形量<2mm；關斷門需滿足燃燒的爐渣能在門體上繼續燃燒，且鍋爐爐底三次風需通過門體送入；不能影響渣斗原有人孔門的開啟，渣斗不能因開關門而額外受力；可采用液壓傳動實現開關門的動作，但液壓缸必須避開鍋爐的熱源而且能方便地更換維修、保養；與門軸配合的軸承座應耐高溫，而且門開關的頻率很高，要求軸承座和軸均要有較高的耐磨性，在定期巡檢時，應能觀察到其磨損的情況。

由于干排渣項目為改造項目，液壓關斷門是其中非常重要的獨立研制的具有自主創新的非標設備，根據電廠現有實際情況及空間尺寸，液壓關斷門設計方案確定為圖1所示的結構形式，整體結構由渣斗（電廠原有）、耐熱鑄鋼門、風帽、軸承座、拐臂、液壓缸、液壓缸支座、支撐框架、旋轉接頭等零部件組成。

圖1 液壓關斷門三維模型

2.液壓關斷門外形尺寸

液壓關斷門外形尺寸及平面圖見表1、圖2。

3. 運動仿真平臺

采用Inventor軟件無縫集成的全功能運動仿真模塊作為液壓關斷門曲柄搖桿機構的仿真研究平臺。此平臺可對復雜機械系統進行完整的運動學和動力學仿真，對仿真的結果，可以通過多種方式來研究，滿足用戶對運動仿真分析的各種需求。液壓關斷門曲柄搖桿機構的仿真模型見圖3。

圖3 液壓關斷門曲柄搖桿機構的仿真模型

表1 零件外形尺寸統計表

圖2 液壓關斷門平面圖

4.運動仿真工況

根據液壓關斷門的實際工作情況，設定關斷門起始位置為0°～73°,單個門板的受力為重力和垂直于門板且作用在中心位置的外力，外力F=14550N。液壓缸推動拐臂帶動門體一起沿軸承座轉動，同時液壓缸繞著液壓缸支座做小幅度轉動，實現門板的開閉。

（1）添加約束。在Inventor中創建曲柄搖桿機構各部件間的裝配約束，在啟動運動仿真模塊時，各部件間的裝配約束自動裝成運動約束，軟件實現了自動識別和繼承，極大地提高了運動部件之間運動約束的準確性和設計效率。

（2）施加運動。根據液壓關斷門的實際工況，定義重力的大小和方向，前旋轉液壓缸活塞桿，后旋轉液壓缸缸筒，將活塞桿引入未知力，活塞桿與拐臂間為鉸接連接，未知力方向為沿活塞桿且指向缸筒方向，拐臂的初始角和結束角度差為73°。實現了液壓缸勻速推動拐臂左右擺動，帶動加載外力的門板做開合運動，門板旋轉角度為73°。

（3）施加運動。根據液壓關斷門的材質及物理特性確定載荷，假設關斷門曲柄壓桿機構動作時，門體質量和外力大小不發生變化。外力方向隨門板的轉動做相應變化，但始終垂直于門板平面。由于假定門板轉動是勻速運動，加速度大小忽略不計。

二、執行機構的仿真分析

設定初始條件后進行仿真，仿真結果分析如下。

1.執行機構的位置

圖4為活塞桿與活塞缸筒的位置曲線，活塞桿與液壓缸筒為圓柱面運動，分析曲線結果可以直接得出液壓缸的有效行程S=795-540=255mm；與實際做圖結果（260mm）基本一致。

2.液壓缸的受力

由于在液壓缸活塞缸上施加了未知力F,經過運動仿真后，在運動仿真輸出圖示器中直接顯示液壓缸運動中各個位置的受力數值（圖5）。由圖5可知液壓缸運動過程中的最大力和最小力數值，即最大力Fmax=37816N，最小力Fmin=12732N。與理論計算值（38098N）基本一致，液壓缸作用力平穩，未出現突變點。

圖4 液壓缸活塞桿和缸筒的位置曲線

圖5 液壓缸活塞桿未知力的變化曲線

3. 液壓缸理論計算驗證

液壓缸缸徑和液壓缸行程的計算如下。

已知：單門按承載1.05m3渣考慮F＝9450N，門自重G＝510kg=5100N，液壓系統壓力p=16MPa，由力矩平衡：T1＝T2，T1＝9450×460＋5100×313＝5943300N·mm=5943.3N·m；T2=F×0.156；F=38098.1N（約3.9T）；液壓缸缸徑：

(按GB/T2348—1993液壓缸內徑尺寸系列圓整D＝80mm)；液壓缸實際推力F＝8.042T；有效行程S＝260mm;圓整為S=290mm；為了不影響鍋爐原渣斗人孔的正常開啟，液壓缸不能布置在中間，只能在渣斗的兩側布置，所以在門體關閉狀態，即受力最大時，由液壓缸的有桿腔受力，理論計算液壓缸有桿腔最大拉力F=6.7T仍然滿足設計要求，使液壓缸使用時輕松自如。

三、曲柄搖桿機構各零部件的有限元分析

根據液壓關斷門的結構特點和受力情況，把執行機構的主要受力部件從整套液壓關斷門中獨立出來，由于門體和門轉軸為一體結構，且門體和軸為空心結構，門受自重、渣斗內煤渣重量以及拐臂扭矩的軸承座支撐力的聯合作用。門的受力狀況隨其位置的變化而變化，采用傳統的解析法對其進行分析難度較大。

根據虛擬樣機模型確定的連接尺寸，結合曲柄搖桿機構運動仿真受力變化曲線和受力分析，重新建立模型（圖6），門體、軸承座、拐臂的材料為鑄鋼，其彈性模量E=210GPa；泊松比μ=0.3；屈服強度[σs]=300MPa，活塞桿、缸端銷材料為Q345B,其彈性模量E=220GPa；泊松比μ=0.275；屈服強度[σs]=207MPa。

表面接觸類型為：軸承座與門軸、活塞桿端與銷軸、銷軸與拐臂為滑動無分離；拐臂與門軸為粘接接觸。

使用與INVENTOR無縫連接的Nastran In-CAD有限元分析軟件對整個機構各個零部件在裝配環境下進行線性靜應力分析。模型采用10節點的拋物線實體單元進行網格劃分如圖7所示（模型包括全體237286節點和148892單元）。Von Mises應力總計見圖8，形變總計見圖9。